萃取分離技術

1、會計學1萃取分離技術萃取分離技術23原料原料前處理前處理生物反應生物反應工程工程生物分離生物分離工程工程產品產品固固液液分分離離分分離離提提取取純純化化精精制制456雜質雜質溶質溶質原溶劑原溶劑萃取劑萃取劑Light phaseHeavy phase7xyk/8分配系數的對數值與標準狀態(tài)下的化學勢的差值有關)()(expRTlhxyk9101112萃取單組分萃取 雙組分萃取（回流萃取） 單級萃取或并流接觸萃取多級錯流萃取 多級逆流萃取 連續(xù)逆流萃取 微分萃取分餾萃取131415連續(xù)逆流萃取裝置1617化學萃取物理萃取多元萃取三元萃取分級接觸式連續(xù)接觸式 連續(xù)連續(xù)接觸式接觸式 原原料料液液 萃萃

2、取取劑劑S S S R1 R2 R3 E1E2E3 分分級級接接觸觸式式1819202122萃取罐232425 是將物質由親水性轉化為疏水性的過程。任務：選擇適當的萃取劑，在適當的條件下，促 使物質由親水性向疏水性轉化。物質親水性與疏水性強弱的規(guī)律：物質親水性與疏水性強弱的規(guī)律：（3）物質含疏水性基團越多，其疏水性越強。 常見的疏水基團：烷基、芳香基等。（1）凡是離子都有親水性。（2）物質含親水性基團越多，其親水性越強。 常見的親水基團：-OH，-SO3H，-NH2，=NH等。26272829化合物化合物極性極性粘度粘度沸點沸點吸收波長吸收波長/nm/nmi-pentane (異戊烷)0-30

3、-n-pentane (正戊烷)00.2336210Petroleum ether (石油醚)0.010.33060210Hexane (己烷)0.060.3369210Cyclohexane (環(huán)己烷)0.1181210Isooctane (異辛烷)0.10.5399210Trifluoroacetic acid (三氟乙酸)0.1-72-Trimethylpentane (三甲基戊烷)0.10.4799215Cyclopentane (環(huán)戊烷)0.20.4749210n-heptane (庚烷)0.20.4198200Butyl chloride (丁基氯; 丁酰氯)10.4678220T

4、richloroethylene (三氯乙烯; 乙炔化三氯)10.5787273Carbon tetrachloride (四氯化碳)1.60.9777265Trichlorotrifluoroethane (三氯三氟代乙烷)1.90.7148231i-propyl ether (丙基醚; 丙醚)2.40.3768220Toluene (甲苯)2.40.59111285p-xylene (對二甲苯)2.50.65138290Chlorobenzene (氯苯)2.70.8132-o-dichlorobenzene (鄰二氯苯)2.71.33180295Ethyl ether (二乙醚; 醚)2

5、.90.233522030Benzene (苯)30.6580280Isobutyl alcohol (異丁醇)34.7108220Methylene chloride (二氯甲烷)3.40.44240245Ethylene dichloride (二氯化乙烯)3.50.7884228n-butanol (正丁醇)3.72.95117210n-butyl acetate (醋酸丁酯；乙酸丁酯)4-126254n-propanol (丙醇)42.2798210Methyl isobutyl ketone (甲基異丁酮)4.2-119330Tetrahydrofuran (四氫呋喃)4.20.55

6、66220Ethyl acetate（乙酸乙酯）4.30.4577260i-propanol (異丙醇)4.32.3782210Chloroform (氯仿)4.40.5761245Methyl ethyl ketone (甲基乙基酮)4.50.4380330Dioxane (二惡烷; 二氧六環(huán); 二氧雜環(huán)己烷) 4.81.54102220Pyridine (吡啶)5.30.97115305Acetone (丙酮)5.40.325733031Nitromethane (硝基甲烷) 60.67101330Acetic acid (乙酸) 6.21.28118230Acetonitrile (乙腈

7、) 6.20.3782210Aniline (苯胺)6.34.4184-Dimethyl formamide (二甲基甲酰胺)6.40.92153270Methanol (甲醇) 6.60.665210Ethylene glycol (乙二醇 ) 6.919.9197210Dimethyl sulfoxide (二甲亞砜 DMSO)7.22.24189268Water（水）10.211002683233343536373839 超臨界流體萃取技術超臨界流體萃取技術 萃取原理萃取原理 超臨界流體具有選擇性溶解物質的能力，并隨著臨界條件（T，P）而變化。超臨界流體可從混合物中有選擇地溶解其中的某些

8、組分，然后通過減壓，升溫或吸附將其分離析出。4041 超臨界流體的主要特性超臨界流體的主要特性1密度類似液體，因而溶劑化能力很強，壓力和溫度微小變化可導致其密度顯著變化2 壓力和溫度的變化均可改變相變3 粘度, 擴散系數接近于氣體,具有很強傳遞性能和運動速度4 SCF的介電常數，極化率和分子行為與氣液兩相均有著明顯的差別42 超臨界流體的性質超臨界流體的性質物理特征物理特征 密度密度 （g/cm3） 粘度粘度（g/cm/s） 擴散系數擴散系數 （cm2/s） 氣體氣體（0.6-2）*10-3（1-4）*10-4 0.1-0.4 液體液體 0.6-1.6（0.2-3）*10-2（0.2-2)*1

9、0-5 SCF 0.2-0.9（1-9）*10-4（0.2-0.7)*10-3SCF傳遞特性與氣體，液體的特征比較傳遞特性與氣體，液體的特征比較434445五糧液公司的超臨界萃取裝置4647 超臨界超臨界CO2萃取的特點萃取的特點1 可以在接近室溫(35-40)及CO2氣體籠罩下進行提取，有效地防止了熱敏性物質的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸點，低揮發(fā)度、 易熱解的物質在其沸點溫度以下萃取出來。2 由于全過程不用有機溶劑，因此萃取物絕無殘留溶媒，同時也防止了提取過程對人體的毒害和對環(huán)境的污染，100%的純天然，符合當今“綠色環(huán)?！?、“回歸自然”的高品位追求。3 控制工藝參數可以分離

10、得到不同的產物，可用來萃取多種產品，而且原料中的重金屬、無機物、塵土等都不會被CO2溶解帶出。48 超臨界超臨界CO2萃取的特點萃取的特點4950超臨界萃取應用51超臨界萃取應用5253水非極性的“核”極性“頭”非極性“尾”54有機溶劑極性“頭”極性的“核”非極性“尾”55565758591.1 1.1 表面活性劑表面活性劑表面活性劑是由親水憎油的極性基團和親油憎水的非極性基團兩部分組成的兩性分子，可分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和非離子型表面活性劑，它們都可用于形成反膠團。常用的表面活性劑及相應的有機溶劑見表1。在反膠團萃取蛋白質的研究中，用得最多的是陰離子表面活性劑AOT(Aero

11、solOT)，其化學名為丁二酸2乙基己基磺酸鈉，結構式見圖60這種表面活性劑容易獲得，其特點是具有雙鏈，極性基團較小、形成反膠團時不需加助表面活性劑，并且所形成的反膠團較大，半徑為15nm，有利于大分子蛋白質進入。常使用的陽離子表面活性劑名稱和結構如下：(1)CTAB(cetyl-methyl-ammonium bromide)溴化十六烷基三甲溴化十六烷基三甲胺胺/十六烷基三甲基胺溴十六烷基三甲基胺溴(2)DDAB(didodecyldimethyl ammonium bromide)溴化十二烷溴化十二烷基二甲銨基二甲銨61(3) TOMAC (triomethyl-ammonium chlo

12、ride)氯化三辛基甲銨氯化三辛基甲銨 將陽離子表面活性劑如CTAB溶于有機溶劑形成反膠團時，與AOT不同，還需加入一定量的助溶劑(助表面活性劑)。這是因為它們在結構上的差異造成的。621.2 臨界膠團濃度臨界膠團濃度(Critical Micelle Concentration CMC) 臨界膠團濃度,是膠團形成時所需表面活性劑的最低濃度，用CMC來表示，這是體系特性，與表面活性劑的化學結構、溶劑、溫度和壓力等因素有關。CMC的數值可通過測定各種物理性質的突變(如表面張力、滲透壓等)來確定。由于實驗方法不同，所得的CMC值往往難于完全一致，但是突變點總是落在一個很窄的濃度范圍內，故用CMC范

13、圍來表示更為方便。1.3 膠團與反膠團的形成膠團與反膠團的形成（1）將表面活性劑溶于水中，當其濃度超過臨界膠團濃度(CMC)時，表面活性劑就會在水溶液中聚集在一起而形成聚集體，在通常情況下，這種聚集體是水溶液中的膠團，稱為正常膠團(normal micelle)。在膠團中，表面活性劑的排列方向是極性基團在外，與水接觸，非極性基團在內，形成一個非極性的核心、在此核心可以溶解非極性物質。63（2）若將表面活性劑溶于非極性的有機溶劑中，并使其濃度超過臨界膠團濃度(CMC)，便會在有機溶劑內形成聚集體，這種聚集體稱為反膠團。在反膠團中，表面活性劑的非極性基團在外與非極性的有機溶劑接觸，而極性基團則排列

14、在內形成一個極性核(po1ar core)。此極性核具有溶解極性物質的能力，極性核溶解水后，就形成了“水池”(water pool)。當含有此種反膠團的有機溶劑與蛋白質的水溶液接觸后，蛋白質及其他親水物質能夠通過螯合作用進入此“水池”。由于周圍水層和極性基團的保護，保持了蛋白質的天然構型，不會造成失活。64bac反膠團的大小與溶劑和表面活性劑的種類與濃度、溫度、離子反膠團的大小與溶劑和表面活性劑的種類與濃度、溫度、離子強度等因素有關，一般為強度等因素有關，一般為520nm，其內水池的直徑，其內水池的直徑d用下式計用下式計算算65d=6W0MsurfNW0有機相中水與表面活性劑的摩爾比，稱為含水

15、率（有機相中水與表面活性劑的摩爾比，稱為含水率（water content）或水活度）或水活度M，分別為水的相對分子質量和密度分別為水的相對分子質量和密度 surf界面處一個表面活性劑分子的面積界面處一個表面活性劑分子的面積N阿佛加德羅常數阿佛加德羅常數常用于制備反膠團溶液的表面活性劑是二常用于制備反膠團溶液的表面活性劑是二(2(2乙基己基乙基己基) )琥琥珀酸酯磺酸鈉（珀酸酯磺酸鈉（AOTAOT），），AOT在異辛烷中形成的反膠團直徑在異辛烷中形成的反膠團直徑( (D) )可用下述經驗式推算可用下述經驗式推算D =0.3W0+2.4 (nm)66u式中右側第一項為反膠團的水核直徑，第二項(2

16、.4nm)為AOT分子長度的二倍。一般反膠團的W0不超過40。因此，AOT形成的反膠團水核直徑一般不超過l 2nm，其中大致可容納一個直徑為510 nm的蛋白質。u當蛋白質分子與反膠團直徑相比大得多時(例如，當相對分子質量超過100200kD)，難于溶解到反膠團中。 u當反膠團的含水率W0較低時，反膠團水池內水的理化性質與正常水相差懸殊。 例如，以AOT為表面活性劑，當W06-8時，反膠團內微水相的水分子受表面活性劑親水基團的強烈束縛，表觀粘度上升50倍，疏水性也極高。隨W0的增大，這些現(xiàn)象逐漸減弱，當W016時，微水相的水與正常的水接近，反膠團內可形成雙電層。但即使當W0值很大時，水池內水的

17、理化性質也不能與正常的水完全相同，特別是在接近表面活性劑親水頭的區(qū)域內。671.4 反膠團的溶解作用反膠團的溶解作用u 由于反膠團內存在微水池，故可溶解氨基酸、肽和蛋白質等生物分子，為生物分子提供易于生存的親水微環(huán)境。因此，反膠團萃取可用于氨基酸、肽和蛋白質等生物分子的分離純化，特別是蛋白質類生物大分子。u關于反膠團溶解蛋白質的形式，有人提出了四種模型:(a)為水殼模型，蛋白質位于水池的中心，周圍存在的水層將其與反膠團壁(表面活性劑)隔開；(b)蛋白質分子表面存在強烈疏水區(qū)域，該疏水區(qū)域直接與有機相接觸；(c)蛋白質吸附于反膠團內壁；(d)蛋白質的疏水區(qū)與幾個反膠團的表面活性劑疏水尾發(fā)生相互作

18、用，被幾個小反膠團所“溶解”。68bcda反膠團的溶解作用反膠團的溶解作用u表面性質不同的蛋白質可能以不同的形式溶解于反膠團相，但對于親水性蛋白質，目前普遍接受的是水殼模型。692 蛋白質溶入反膠團溶液的推動力蛋白質溶入反膠團溶液的推動力 蛋白質溶入反膠團溶液的推動力主要包括表面活性劑與蛋白質的靜電作用力和位阻效應。u靜電作用力 在反膠團萃取體系中，表面活性劑與蛋白質都是帶電的分子，因此靜電相互作用肯定是萃取過程中的一種推動力。其中一個最直接的因素是pH值，它決定了蛋白質帶電基團的離解速率及蛋白質的凈電荷。u位阻效應 許多親水性物質，如蛋白質、核酸及氨基酸等，都可以通過溶入反膠團“水池”來達到

19、它們溶于非水溶劑中的目的，但是反膠團“水池”的物理性(大小、形狀等)及其中水的活度是可以用W0的變化來調節(jié)的，并且會影響大分子如蛋白質的增溶或排斥，達到選擇性萃取的目的，這就是所謂的位阻效應。70713.1 水相pH值對萃取的影響 水相的pH值決定了蛋白質表面電荷的狀態(tài)、從而對萃取過程造成影響。只有當反膠團內表面電荷，也就是表面活性劑極性基團所帶的電荷與蛋白質表面電荷相反時，兩者產生靜電引力，蛋白質才有可能進入反膠團。（1）對于陽離子表面活性劑、溶液的pH值需高于蛋白質的pI值，反膠團萃取才能進行；對于陰離子表面活性劑，當pHpI時，萃取率幾乎為零，當pHpI時，萃取率急劇提高，這表明蛋白質所

20、帶的凈電荷與表面活性劑極性頭所帶電荷符號相反，兩者的靜電作用對萃取蛋白質有利。如果pH值很低，在界面上會產生白色絮凝物，并且萃取率也降低這種情況可認為是蛋白質變性之故。水相pH值對幾種相對分子質量較小的蛋白質的萃取影響見圖。7273（2）對不同相對分子質量的蛋白質，pH值對萃取率的影響有差異性，當蛋白質相對分子質量增加時，只有增大(pH-PI)值的絕對值，相轉移才能順利完成，如-糜蛋白酶(相對分子質量為25000)的萃取率在pH值低于pI值2-4時達到最高，而牛血清蛋白(相對分子質量為68000)在相同的系統(tǒng)中根本不發(fā)生相轉移。這種差異性可解釋為：對于包含大蛋白分子的反膠團，其尺寸遠大于“空核

21、”的反膠團，萃取時勢必要消耗較多的能量，這些能量只能通過較強的靜電相互作用得到補償。用調節(jié)pH的作用來增加蛋白質分子表面電荷的方法，正是達到增強靜電作用的一條途徑。蛋白質的相對分子質量Mr與最佳(pH-pI)絕對值呈線性關系,見圖。743.2 離子強度對萃取率的影響離子強度對萃取率的影響 離子強度對萃取率的影響主要是由離子對表面電荷的屏蔽作用所決定的： a.離子強度增大后，反膠團內表面的雙電層變薄，減弱了蛋白質與反膠團內表面之間的靜電吸引，從而減少蛋白質的溶解度； b.反膠團內表面的雙電層變薄后，也減弱了表面活性劑極性基團之間的斥力，使反膠團變小，從而使蛋白質不能進入其中； c.離子強度增加時

22、，增大了離子向反膠團內“水池”的遷移并取代其中蛋白質的傾向，使蛋白質從反膠團內被鹽析出來；75763.3 表面活性劑類型的影響 前面已經提到陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和非離子表面活性劑都可用于形成反膠團。 關鍵是應從反膠團萃取蛋白質的機理出發(fā)，選用有利于增強蛋白質表面電荷與反膠團內表面電荷間的靜電作用，和增加反膠團大小的表面活性劑，除此以外，還應考慮形成反膠團及使反膠團變大(由于蛋白質的進入)所需的能量的大小、反膠團內表面的電荷密度等因素，這些都會對萃取產生影響。 目前研究中常用的AOT反膠團體系和其他體系有許多不足，如不能用于分子量較大的蛋白質的萃取和往往在兩相界面上形成不溶性的膜狀物等等，為克服這些不足,可通過在單一表面活性劑中加入具有親和作用的生物表面活性劑或另一種非離子型表面活性劑的方法來改善萃取性能。773.4 表面活性劑濃度的影響表面活性劑濃度的影響 增大表面活性劑的濃度可增加反膠團的數量，從而增大對蛋白質的溶解能力。但表面活性劑濃度過高時，有可能在溶液中形成比較復雜的聚集體，同時會增加反萃取過程的難度。因此，應選擇蛋白質萃取率最大時的表面活性劑濃度為最佳濃度。 總結反膠團體系對核糖核酸酶a與伴刀豆球蛋白進行萃取的結果，得到了分配系數K同表面活性劑濃度S以及pH值的關系式： 1nKA十B*